1 引言

青藏高原(下称高原)是世界上平均海拔最高的高原, 由于独特复杂的地形, 高原对中国天气影响大, 它是影响我国长江流域、江准暴雨的对流云团的源地(丁一汇, 1993; 张顺利等, 2001), 可生成带来灾害性天气的高原天气系统—高原低涡、高原切变线、高原槽等, 其中高原低涡就是影响中国灾害性天气的重要天气系统(Tao et al, 1981; 何光碧等, 2009; Yu et al, 2014; 刘新超等, 2014; 陈贝等, 2015, 肖递祥等, 2016; 郁淑华等, 2016; 杨颖璨等, 2018)。

高原低涡是在高原下垫面热力、动力共同作用下形成的。一般认为, 高原低涡的生成与地形关系密切(陈伯民等, 1996), 高原低涡主要由高原上非绝热过程引起, 其中主要为地表感热通量(罗四维等, 1992a)。钱正安等(1984)依据1979年第一青藏高原气象科学实验得出了影响高原低涡生成的6个环境场因子, 其中近地层气流的正压不稳定度、地气温差、近地层的层结稳定度与高原加热有关。吕君宁等(1984)研究得出了高原低涡的生成的综合结构。秦宏德等(1984)分析指出了1979年7月一次那曲涡生成的具有明显对流性降水回波特征。许威杰等(2017)指出凝结潜热加热, 有利于高原低涡的增强与东移。刘云丰等(2016)分析了夏季高原大气热源的气候特征与高原低涡生成的关系指出, 高原低涡多发年, 高原大气热源明显高于气候态。李国平等(2016)指出在气候尺度上, 高原低涡多发期的高原地面热源特征。

以往许多高原低涡的生成研究是基于第一青藏高原气象科学实验与低涡的个例, 也有分析了高原地面加热与低涡生成频数的时间相关性及其物理成因; 分析了高原大气热源的气候特征与高原低涡的生成的联系。但对高原不同季节地面热源特征的认知还非常薄弱, 特别是高原不同季节移出与末移出高原的高原涡涡源区域的地面热源特征还少见研究。因此, 本文主要研究不同季节移出、未移出高原的高原低涡涡源区分布与涡源区域的地面热源特征及相关性。

2 资料与方法

李国平等(2016)指出大部分再分析资料反映的高原热源强度及其变化趋势与基于观测资料利用正算法得到的结果在气候态和长期趋势上是基本相似, NCEP/DOE(美国国家环境预测中心)逐日的日平均地面感热和地面潜热通量数据, 可适用于在高原地区。因此, 采用1998-2016年NCEP/DOE逐日的日平均地面感热和地面潜热通量数据, 由于数据X方向间隔为1. 875°, Y方向为高斯格点的分布, 为便于分析, 且适合气候分析和高原低涡水平尺度要求[500~1000km(罗四维，1992b)], 为此通过双线性插值生成2.5°×2.5°的均匀格点值, 分析高原地面热源特征。还利用MICAPS (气象信息分析与处理系统)历史天气图资料(1998-2016年)与高原低涡切变线年鉴(李跃清等, 2012), 分析高原涡活动特征。

地面热源的算法是采用李国平等(2016)地面热源的直接算法获取地面热源值。

常用的地面热量平衡方程为:

$ {{R}_{\text{B}}}-{{F}_{\text{S}}}~=~{{F}_{\text{H}}}+{{F}_{\text{L}}}~\ \, $

(1)

式中: R_B为辐射平衡(或称净辐射、辐射差额); F_S为表层土壤的热通量; F_H为地面湍流感热通量(简称地面感热); F_L为包含地面植被层蒸腾在内的土壤蒸发潜热(简称地面潜热)。式(1)的左端项(R_B-F_S)和右端项(F_H+F_L)都可用来表征地面热源值(或地面加热强度), 前者称为地面热源的间接算法, 后者则称为直接算法。故采用(F_H+F_L)来表征地面热源值。

高原四季划分是依据高原冬季持续时间长, 结合范思睿等(2011)提出的划分高原四季的持续时间和开始日期与白玛央宗等(2016)指出2-4月为青藏高原冬末春初, 因此, 本文划定高原四季为春(4-5月)、夏(6-7月)、秋(8-9月)和冬(10月至次年3月)。

某要素年均是指某要素1998-2016年的平均。

高原区域地面感热通量、潜热通量、热源的季交差分布是指地面感热通量、潜热通量、热源当季与上一季相应物理量差值的高原区域分布。

3 高原涡的涡源特征 3.1 高原涡生成频数的各月演变特征

从高原涡、移出高原的高原涡(简称移出涡)、未移出高原的高原涡(简称未移出涡)年均各月生成频数(图 1)可以看出, 6月是高原涡生成最多的月份, 年均生成频数为8. 11次·年^-1, 7月次之为7.68次·年^-1; 1-2月、11-12月高原涡生成很少, 年均各月生成频数 < 1次·年^-1, 3月、10月生成频数也少, 分别为2. 42次·年^-1、1.58次·年^-1; 总体演变是6月之前高原涡生成频数在增加, 6月之后高原涡生成频数在减少。未移出涡、移出涡占高原涡的比例相差大, 分别是76. 98 %、23. 02 %, 但未移出涡、移出涡年均各月生成频数变化与高原涡相似, 都为6月最多, 7月次之, 1-2月、11-12月少, 6月之前、之后分别为在增加、减少, 但生成频数相差大, 尤其是移出涡。从图 1中还可以看出, 5-8月高原涡、未移出涡年均生成个数相对较多, 是高原涡、未移出涡生成的主要时段。6-7月移出涡年均生成个数相对较多, 是移出涡生成的主要时段。

3.2 高原涡的涡源分布特征

图 2~4分别给出了1998-2016年各季高原涡、未移出涡、移出涡初生中心位置, 用红色圆点示出, 蓝色圆圈示为涡源区, 黑色阴影区为海拔≥3000 m的区域。

由图 2可以看出, 高原涡春季主要生成在91°E-97°E、32°N-35°N, 即高原中部; 高原南、东部也有些相对密集的小区域(3点以上点间距≤0. 6经/纬距, 且其中有2点以上点间距≤0. 3经/纬距的集中区)。高原涡夏季主要生成在94°E-102°E、32°N-35°N, 即高原中、东部; 高原东北、东南、南部也有些相对密集的小区域。秋季生成在93°E-99°E、32°N-35°N与97. 5°E-99°E、31. 5°N-33°N, 即高原中、东南部; 高原南部也有些相对密集的小区域。冬季生成在91°E-93. 5°E、32. 5°N-33. 5°N与94°E-96°E、31. 5°N-35. 5°N, 即高原中部; 高原东、南部也有些相对密集的小区域。高原涡由冬到春到夏, 初生中心位置逐渐向东, 区域逐渐扩大; 高原涡由夏到秋到冬初生中心位置、区域的变化与高原涡由冬到春到夏相反。反映了高原涡的涡源分布季节变化特征明显。

3.3 未移出高原的高原涡的涡源分布特征

由对1998-2016年各季未移出涡初生中心位置(图 3)分析看出, 未移出涡春季主要生成在91°E-97°E、32°N-34°N, 即高原中部; 高原南、东部也有些相对密集的小区域。夏季主要生成在94°E-102°E、32°N-35. 5°N, 即高原中、东部; 高原东南、南部也有些相对密集的小区域。秋季生成在93°E-96. 5°E、32°N-35°N与97. 5°E-99°E、31°N-33°N, 即高原中、东南部; 高原东部、南部也有些相对密集的小区域。冬季生成在91. 5°E-93°E、32. 5°N-33. 5°N与94°E-96°E、31. 5°N-35°N, 即高原中部; 高原北、南部也有些相对密集的小区域。未移出涡初生中心位置与高原涡接近, 涡源分布的季节变化特征与高原涡同。

3.4 移出高原的高原涡的涡源分布特征

由对1998-2016年各季移出涡初生中心位置(图 4)分析看出, 移出涡春季主要生成在92°E-93°E、32. 5°N-33. 5°N与94. 5°E-96°E、33. 5°N-35°N, 即高原中部。夏季主要生成在94°E-96. 5°E、34°N-35. 5°N与94°E-95°E、32. 5°N-33. 5°N, 即高原中部; 高原东、东南、东北部也有些相对密集的小区域。秋季生成在94°E-95°E、33°N-33. 5°N与95°E-96. 5°E、35°N-35. 5°N, 即高原中部。冬季生成较分散, 己无相对密集区域。移出涡由冬到春到夏, 初生区域位置由无到有, 再向东、向北渐扩大; 由夏到秋到冬初生中心位置、区域的变化与移出涡由冬到春到夏的相反。反映了移出涡涡源分布的季节变化特征与高原涡、未移出涡近似, 但初生区域明显比高原涡、未移出涡小。

4 高原地面加热特征 4.1 高原地面热源各月演变特征

由高原区域年均地面感热通量、地面潜热通量、地面热源的各月演变(图 5)可知, 高原区域年均总体热源情况是各月地面潜热通量为正值, 地面感热通量除了隆冬季节外各月为正值, 造成了各月地面热源都为正值, 在1月、12月接近于零。年均地面感热通量的各月演变是6月是最大的月份, 为56. 3 W·m^-2, 7月次之为53. 2 W·m^-2, 1-2月、11-12月分别为负值, 3月、10月各月也少, 分别为16. 7 W·m^-2和7. 2 W·m^-2; 年均地面感热通量演变的总体特征是6月之前在增加, 6月之后在减少, 年均地面感热通量大的增加幅度出现在3、4月, 大的减少幅度出现在10、11月, 并且, 减幅比增幅大; 5-8月是年均地面感热较大的时段, 各月分别> 45 W·m^-2。年均地面潜热通量的各月演变是7月是最大的月份, 为73. 9 W·m^-2, 8月次之为70. 4 W·m^-2, 最小值出现在12月, > 20 W·m^-2; 年均地面潜热演变的总体特征是7月之前在增加, 7月之后在减少; 大的增幅出现在5、6月份, 大的减幅出现在9、10月; 6-8月是年均地面潜热较大的时段, 各月分别> 63 W·m^-2; 各月年均地面潜热比年均地面感热大。年均地面热源总体演变的特征春、夏、秋季与年均地面潜热相似, 7月最大为127. 1 W·m^-2, 7月之前在增加, 7月之后在减少; 但大的增幅出现在3-5月, 大的减幅出现在9-11月; 5-8月是年均地面总热源较大的时段, 各月分别> 100 W·m^-2。

比较地面热源(图 5)与高原涡、移出涡、未移出涡生成(见图 1)各月演变特征看出, 年均地面感热、地面热源较大的时段在5-8月, 也是高原涡、未移出涡多发时段。6-7月是年均地面感热、地面热源高值时段和地面潜热增幅明显、达最高值时段, 也是移出涡多发时段。反映了高原地面加热场对低涡生成是有一定的影响的。6月是年均地面感热最高的月份, 也是高原涡、移出涡、未移出涡生成最多的月份, 表明高原低涡的形成对地面感热的依赖性强, 是不同与温带气旋的, 这与李国平等(2016)指出的高原低涡的形成主要依靠强烈的地面感热的认识相佐。

4.2 地面感热各季分布特征

从高原区域年均地面感热通量各季内平均分布(图 6)可以看出, 年均地面感热通量春季分布为高原西半部处在≥50 W·m^-2高值区内, 中心在高原西南部, 为89. 3 W·m^-2; 高原北、东北部处在≥50 W·m^-2高值区内, 中心在高原北部, 为84. 2 W·m^-2; 高原南部处在≤40 W·m^-2低值区内, 中心在高原东南部, 为-12 W·m^-2。夏季, 原中心在高原北部的≥50 W·m^-2的高值区比春季向西南扩, 中心比春季增强, 为92. 1 W·m^-2; 原在高原东南部的低值区比春季向南缩小, 低值中心减弱, 为15. 1 W·m^-2, 反映了夏季高原地面感热比春季增强明显(除高原西南部一小区域外)。秋季, 高原地面感热己无大于70 W·m^-2的高值区, 最大值在高原北部为64 W·m^-2。反映了秋季高原地面感热比夏季明显减弱(除高原西南部一小区域外)。冬季, 高原地面感热绝大部分区域为负值, 只有高原西南部为正值, 最大值为18. 2 W·m^-2。反映了冬季高原地面感热比秋季明显减弱。由此看出, 高原区域地面感热由冬到春到夏经历了明显增强的过程, 尤其是由冬到春的高原区域地面感热爆发性增强; 高原区域地面感热由夏到秋到冬经历了明显减弱的过程, 尤其是由秋到冬高原区域地面感热陡然减弱。说明高原区域地面感热季节变化特征明显, 由冬到春的高原区域地面感热爆发性增强与秋到冬高原区域地面感热陡然减弱, 这是不同于高原周边地区-四川盆地、云南、贵州的显著差异(徐裕华, 1991)。

4.3 地面潜热各季分布特征

由对高原区域年均地面潜热通量各季平均分布(图 7)可以看出, 年均地面潜热通量春季分布为高原东半部大部处在≥30 W·m^-2高值区内, 在高原东南部边缘达90 W·m^-2; 高原西半部大部为 < 30 W·m^-2低值区, 低中心在高原北部边缘, 值< 10 W·m^-2。夏季, 地面潜热分布与春季同, 仍为东高西低, 但夏季整个高原区域年均地面潜热比春季明显增强, 高原中东部为年均地面潜热平均≥70 W·m^-2的高值区; 原在高原西部 < 20 W·m^-2低值区增强为40~50 W·m^-2, 反映了夏季高原地面潜热比春季增强明显。秋季, 高原地面潜热分布与夏季同, 高原东部有些减弱, 己无大于90 W·m^-2的高值。反映了秋季高原地面潜热比夏季减弱, 但没有地面感热明显。冬季, 高原地面潜热比秋季明显减弱, 但都为正值。反映了冬季高原地面潜热比秋季明显减弱。由此看出, 高原区域地面潜热由冬到春到夏经历了明显增强的过程, 尤其是由春到夏高原区域地面潜热增强特别明显; 高原区域地面潜热由夏到秋到冬经历了减弱的过程, 尤其是由秋到冬高原区域地面潜热减弱明显。说明高原区域地面潜热季节变化特征明显, 与高原区域地面感热季节变化特征是有差异的。这可能是由于由冬到春高原地区太阳辐射明显增强给地表以加热, 造成由冬到春地面感热爆发性增强; 和由春到夏高原地区受孟加拉湾气流的水汽输送明显增强(钱正安等, 2018), 利于地面蒸发潜热明显增强, 从而造成高原区域地面感热与地面潜热季节变化特征的差异。

4.4 地面热源各季分布特征

由高原区域年均地面热源各季平均分布(图 8)可以看出, 年均地面热源春季平均分布为高原西半部处在≥80 W·m^-2高值区内, 中心在高原西南部, 为119. 6 W·m^-2; 高原东北部处在≥100 W·m^-2高值区内, 中心在高原北部, 为106. 9 W·m^-2; 高原南部大部分处在≤60 W·m^-2低值区内, 中心为15. 3 W·m^-2。夏季, 地面热源分布为东高西低, 夏季整个高原区域地面热源比春季增强, 高原大部区域地面热源≥100 W·m^-2, 高原东部、西南部分别有> 130 W·m^-2高值区; 原在高原南部的低值区比春季减弱, 低值中心为44. 9 W·m^-2, 反映了夏季高原地面热源比春季增强明显。秋季, 高原地面热源己无大于130 W·m^-2的高值区, 最大值在高原东南部为124. 7 W·m^-2。反映了秋季高原地面热源比夏季明显减弱。冬季, 高原地面热源绝大部分区域为正值, 只有高原北部为负值; 高原南、东部分别有> 30 W·m^-2高值区。反映了冬季高原地面热源比秋季陡然减弱。由此看出, 高原区域地面热源由冬到春到夏经历了明显增强的过程, 尤其是由冬到春的高原区域地面热源爆发性增强; 由夏到秋到冬经历了明显减弱的过程, 尤其是由秋到冬高原区域地面热源陡然减弱。说明高原区域地面热源季节变化特征明显, 与地面感热相似。

由高原区域年均地面热源各季平均分布(图 8)与地面感热各季平均分布(图 6)、地面潜热各季平均分布(图 7)比较看出, 高原区域年均地面热源冬、春季平均分布与地面感热相似, 两者低、高值中心位置大体相近; 但冬季高原大部区域年均地面热源为正值, 高原区域地面感热为负值, 高原区域地面潜热为正值; 春季, 除了高原南、东南部外, 高原大部分区域地面感热比地面潜热大, 说明冬季高原区域地面潜热对地面热源的贡献大, 春季地面感热对地面热源的贡献大。夏、秋季地面热源平均分布与地面潜热相似, 除了夏季高原西南部外, 两者为东高西低的分布, 与地面感热的分布相反; 虽然夏、秋季高原北部为地面热源、地面感热、地面潜热的低值区, 但地面感热比地面潜热分别高出4倍和2倍以上。说明夏季地面感热、地面潜热分别对高原西、东半部地面热源的贡献大, 秋季高原区域地面潜热对地面热源的贡献大。

5 高原涡涡源区的地面加热特征

由高原涡涡源分析看出, 高原涡与未移出涡的涡源分布相接近, 因此下面分析高原涡涡源区的地面加热源特征中, 只分析未移出涡、移出涡的。

5.1 高原涡涡源区的地面感热特征

比较未移出涡、移出涡生成分布(见图 3、4)与高原地面感热通量季交差分布(图 9)特征看出, 春、夏高原上地面感热大部分区域季交差值为正, 春季≥50 W·m^-2, 反映高原区域地面感热由冬到春到夏明显增强, 尤其是由冬到春高原区域地面感热爆发性增强。由冬到春到夏, 未移出涡、移出涡生成区域逐渐扩大, 生成个数明显增加, 其中由冬到春未移出涡个数增加更明显、移出涡出现了成片区域; 由夏到秋到冬高原区域地面感热、未移出涡、移出涡生成区域、生成个数的变化与由冬到春到夏相反, 尤其是由秋到冬高原区域地面感热陡减, 未移出明显减少, 移出涡无成片区域。反映了高原地面感热季节变化特征与未移出涡、移出涡的涡源变化特征相似, 未移出涡、移出涡生成与高原地面感热关系密切。

比较未移出涡生成(图 3)与高原地面感热通量(图 6)的各季分布特征看出, 未移出涡主要涡源区春季位于高原东北部、西南部的地面感热高值区分别西南伸、西北伸而形成的地面感热梯度大值区内, 并非在地面感热高值区内; 夏季位于高原东北部地面感热高值向西南伸的区域及边缘; 秋季位于高原东北部地面感热高值西南伸区以南的> 30 W·m^-2区域。可以看出, 春、夏、秋季高原地面感热向大气输送热量是利于高原涡生成的。冬季未移出涡处在-10~0 W·m^-2区域。冬季高原区域地面感热为负值也有低涡出现, 为探讨其原因, 经未移出涡冬季各月出现情况分析(表略)看出:冬季未移出涡共有112个, 其中, 3月有38个, 10月有26个, 3月、10月未移出涡约占冬季未移出涡57 %, 由高原区域年均地面感热通量各月演变曲线(图 5)看出, 3月、10月地面感热通量分别为16. 7 W·m^-2和7. 2 W·m^-2, 并非为负值, 冬季未移出涡有57 %在3月、10月, 这可能与春初、秋末的地面感热较大有关; 高原隆冬(1-2月、11-12月)地面感热为负值有低涡出现, 经分析高原隆冬时期的未移出涡生成时的影响系统分析(表 1)发现, 有36个未移出涡是在切变线影响下生成的, 切变线影响下生成的占未移出涡75 %, 有23 %是低槽影响下生成的(高原槽为主), 反映了高原涡生成不仅与地面感热环境条件有关, 还与特定的流场-以切变线为主, 切变线上的气流辐合等动力条件, 可触发高原中尺度系统的生成有关。

比较移出涡生成(图 4)与高原地面感热通量(图 6)的各季分布特征看出, 移出涡春、夏、秋季主要涡源区比未移出涡稍偏北些, 因此位于地面感热区的位置与未移出涡的相似, 但更接近高值区一些。冬季高原区域地面感热几乎都为负值, 移出涡己无成片涡源区。说明移出涡生成对地面感热的依赖要比未移出涡强一些。

5.2 高原涡涡源区的地面潜热特征

比较未移出涡、移出涡生成分布(见图 3、4)与高原地面潜热季交差分布(图 10)特征看出, 由冬到春到夏高原绝大部分地面潜热季交差为正值, 正值区域比地面感热大, 最大正值区域出现在夏季, 最大值比地面感热的小。反映了高原区域地面潜热由冬到春到夏有明显增强, 其中春到夏增强更明显, 而增强的季节、强度与地面感热的不同。由冬到春到夏, 未移出涡、移出涡生成区域逐渐扩大, 生成个数明显增加, 其中由春到夏移出涡生成个数增加更明显。由夏到秋到冬高原区域地面潜热、未移出涡、移出涡生成区域、生成个数的变化与由冬到春到夏相反, 尤其是由秋到冬高原区域地面潜热减弱更明显, 但减弱程度不如地面感热。反映了高原地面潜热变化特征与未移出涡、移出涡的涡源变化特征相似, 高原地面潜热与未移出涡、移出涡生成关系也密切, 尤其是移出涡。

比较未移出涡生成(图 3)与高原地面潜热(图 7)的各季分布特征看出, 未移出涡主要涡源区春季位于高原东部的地面潜热高值区分别西伸的> 30 W·m^-2区域内; 夏、秋季位于高原东部地面潜热高值向西伸的> 50 W·m^-2区域内; 冬季未移出涡处在10~30 W·m^-2区域。可以看出, 春、夏、秋季高原地面潜热向大气输送热量是利于高原涡生成的。冬季未移出涡处在正的弱地面潜热区内。冬季高原区域弱地面潜热区也会有低涡出现的原因是高原涡生成不仅与地面潜热环境条件有关, 还与特定的流场-切变线, 高原切变线不仅是气流辐合带, 也是水汽的聚集带(罗雄等, 2018), 利于增强中低层大气的不稳定性, 为中尺度系统形成提供有利于的热力环境动力条件有关。

比较移出涡生成(图 4)与高原地面潜热(图 7)的各季分布特征看出, 移出涡主要涡源区春、夏、秋季位于地面潜热的情况与未移出涡相似, 都在高原东部的地面潜热高值西伸的区内, 春季> 30 W·m^-2区域内; 夏、秋季> 60 W·m^-2区域内, 夏、秋季所取区域的值比未移出涡高。冬季高原区域绝大部分地面潜热 < 30 W·m^-2, 移出涡己无成片生成区。由分析1998-2016年夏季移出涡、未移出涡生成时平均位势高度(表略)看出, 移出涡为577. 9 dagpm, 未移出涡为580. 8 dagpm, 移出涡生成时的强度比未移出涡强。造成移出涡生成时强度比未移出涡强的原因, 除去环流条件暂不讨论外, 可能是移出涡生成时地面潜热通量比未移出涡强, 正如田珊儒等(2015)指出的地面蒸发潜热通过增强中低层大气的不稳定性, 为对流系统的发生发展积累能量, 形成有利于对流性降水的热力环境所致。说明地面潜热通量对移出涡生成的影响比未移出涡更强一些。

5.3 高原涡涡源区的地面热源特征

比较未移出涡、移出涡生成分布(图 3、4)与高原地面热源季交差分布(图 11)特征看出, 各季未移出涡、移出涡生成分布与高原区域地面热源的季节演变特征, 相似于与地面感热的演变特征, 由冬到春到夏地面热源季交差值为正, 其中由冬到春出现了> 90 W·m^-2区域。反映了由冬到春到夏地面热源增强明显, 尤其是由冬到春爆发性增强。相应由冬到春到夏未移出涡、移出涡生成区域逐渐扩大, 生成个数明显增加, 其中由冬到春未移出涡个数增加更突出、移出涡出现了成片区域。由夏到秋到冬高原区域地面热源、未移出涡、移出涡生成区域、生成个数的变化与由冬到春到夏的相反, 尤其是由秋到冬高原区域地面热源陡减。反映了未移出涡、移出涡的涡源与高原地面热源变化特征相似, 高原地面总热源与未移出涡、移出涡生成关系密切, 尤其是未移出涡。

比较未移出涡生成(图 3)与地面热源(图 8)的各季分布特征看出, 未移出涡主要涡源区春季位于高原东北部、西南部的地面热源高值区分别西南伸、西北伸的80~90 W·m^-2的均值区内, 夏季位于高原东部、西南部的地面热源高值区分别西伸、西北伸的120~130 W·m^-2的均值区与高原东部高值区南伸的110~130 W·m^-2区内; 秋季位于高原东南部高值区北伸的90~110 W·m^-2区内; 冬季未移出涡主要处在高原中部0~20 W·m^-2区内。可以看出, 春、夏、秋季高原地面热源向大气输送较高的热量是利于高原涡生成的。冬季未移出涡处在正的弱地面热源区内。冬季高原区域弱地面热源区也会有低涡出现的原因是高原涡生成不仅与热力条件有关, 还与以切变线为主的流场(表 1)所伴有的动力条件有关。

比较移出涡生成(图 4)与高原地面热源(图 8)的各季分布特征看出, 移出涡主要涡源区春季位于地面热源高值伸展区的情况与未移出涡的相似, 为80~100 W·m^-2区域内; 夏季位于高原东部的地面热源高值区向西伸的120~140 W·m^-2区内; 秋季位于高原东南部高值区西北伸的90~110 W·m^-2区内。可以看出, 春、夏、秋季高原地面热源向大气输送较高的热量是利于移出涡生成的, 尤其是夏季, 地面总热源向大气输送热量为一年中最高, 也是移出涡出现集中时期, 反映了大面积相对均匀的地面热源高值区对移出涡生成更重要。

5.4 高原涡涡源与地面加热的相关性

未移出涡以夏季最多, 移出涡集中发生在夏季, 6、7月移出涡占全年的48 %。因此下面分析夏季未移出涡、移出涡与高原地面加热的相关性。

由夏季未移出涡生成个数与高原地面加热的相关系数分布(图 12)可以看出, 未移出涡生成个数与高原地面感热的相关系数分布上, 在92. 5°E以东、32. 5°N以北相关系数为≥-0. 4的负相关区, 高原其它地区绝大部分为正相关区。与夏季未移出涡涡源分布[见图 3(b)]结合可以看出, 夏季未移出涡大部分在与高原地面感热的相关系数≤0. 4的正相关区内产生的, 只有高原南部一涡源区通过α=0. 1的显著性水平检验(相关系数为0. 389)。从未移出涡生成个数与高原地面潜热的相关系数分布上看到, 90°E以东高原地区绝大部分为正相关区, 高原东南部有大片相关系数≥0. 5的正相关区。与夏季未移出涡涡源分布[见图 3(b)]结合看出, 夏季未移出涡都在与高原地面潜热的正相关区域内产生的, 高原东南部的3个涡源区(位于川西高原)与高原南部的涡源区通过α=0. 1的显著性检验, 正相关性好。从未移出涡生成个数与高原地面热源的相关系数分布上看到, 90°E以东高原地区绝大部分地区为正相关区, 高原北部、东南部各有大片相关系数≥0. 5的正相关区。由夏季未移出涡涡源分布[见图 3(b)]结合看出, 夏季未移出涡涡源与高原地面总热源的相关性, 相似于与高原地面潜热的, 未移出涡都在与高原地面总热源的正相关区域内产生, 高原东南部的3个涡源与高原南部的涡源区处在相关系数≥0. 389区域内, 有显著正相关。可以看出, 夏季未移出涡生成是与高原地面加热有关的, 尤其是高原东南部(3个)、南部的涡源与高原地面热源、地面潜热有显著正相关; 高原南部的涡源与高原地面感热有显著正相关, 反映高原地面潜热对未移出涡生成的贡献比高原地面感热的大。

由夏季移出涡生成个数与高原地面加热的相关系数分布(图 13)可以看出, 移出涡生成个数与高原地面感热的相关系数分布上, 99°E以东高原地区为正相关区, 32. 5°N以南高原地区绝大部分为正相关区, 高原其它地区绝大部分为负相关区。与夏季移出涡涡源分布[见图 4(b)]结合看出, 夏季移出涡在高原东北-东南部边缘的4个涡源区绝大部分处在相关系数≥0. 2的正相关区内, 高原东部(四川与青海交界处)的一涡源区处在相关系数≥0. 4的显著性相关区内; 在高原中东部的最大涡源区处在负相关区内, 高原西南部有一相关系数≥0. 4的显著性相关区, 但无涡源区, 这可能与高原西部缺少探空资料有关。从移出涡生成个数与高原地面潜热的相关系数分布上看到, 高原绝大部分为正相关区。与夏季移出涡涡源分布[见图 4(b)]结合看出, 夏季移出涡高原中部的2个涡源区和高原东部一涡源区(川西高原西北部)处在与高原地面潜热的相关系数≥0. 4的显著性相关区内(这三个涡源区内移出涡个数(20个)占了涡源区内总移出涡个数的59 %), 高原东南部涡源区与高原东部另一涡源区处在正相关区内。可以看出, 移出涡生成个数与高原地面潜热的正相关性明显比高原地面感热的好。从移出涡生成个数与高原地面热源的相关系数分布上看到, 高原上绝大部分为正相关区, 正相关区比高原地面潜热的大。与夏季移出涡涡源分布[见图 4(b)]结合看出, 夏季移出涡涡源区都处在与高原地面热源的正相关区内, 其中高原东部一涡源在相关系数≥0. 4的显著性相关区内。说明夏季移出涡生成也与高原地面热源有关的, 移出涡涡源区都处在与高原地面潜热、总热源的正相关区内, 尤其是移出涡的主要涡源区与地面潜热有显著正相关。还看出, 夏季移出涡涡源与高原地面感热、总热源的正相关性比未移出涡的差, 而与高原地面潜热的正相关性比未移出涡的好, 反映高原地面潜热对移出涡生成的贡献大。

由上分析看出, 尽管高原涡生成离不开大气环流条件, 但夏季高原涡涡源区都与高原地面加热有关。移出涡、未移出涡涡源区都处在与高原地面热源的正相关区内, 并且分别在高原东部、高原东南部和南部与高原地面热源有显著正相关, 这一显著正相关区, 对未移出涡是地面感热、潜热共同贡献大造成的, 但地面潜热的贡献比地面感热的大。对移出涡主要是地面潜热贡献大造成的。还可看出, 地面潜热与移出涡、未移出涡涡源区的显著正相关区比感热的大, 尤其是移出涡, 在高原中东部的最大涡源区处在显著正相关区内, 说明潜热对移出涡生成影响更大。这可能与夏季高原中东部地面较为湿润, 在对流不稳定条件下通过低层辐合激发中尺度对流系统(李国平等, 2016)有关, 也反映了潜热不仅在高原涡东移过程中作用重要(陈伯民等, 1996; 宋雯雯等, 2012), 而且在高原涡生成中也有重要作用。

6 结论与讨论

分析了1998-2016年不同季节的高原涡、移出涡、未移出涡的涡源区特征, 并对不同季节的高原涡、移出涡、未移出涡涡源区的地面加热特征与相关性进行了分析, 得出了以下主要结论:

(1) 高原涡、移出涡、未移出涡生成6月最多, 7月次之。5-8月是高原涡、未移出涡生成的主要时段, 也是年均高原地面感热、地面热源较大的时段。6-7月是移出涡生成的主要时段, 也是年均高原地面感热、地面热源高值时段和地面潜热增幅明显、达最高值时段。反映了高原地面加热场对低涡生成是有一定影响的。

(2) 高原涡、未移出涡、移出涡的涡源分布季节变化特征相似, 由冬到春到夏, 初生区域逐渐扩大; 由夏到秋到冬正好相反。不同的是移出涡涡源区明显比高原涡、未移出涡小; 移出涡由冬到春到夏, 初生区域位置由无到有, 再向东、向北扩, 高原涡、未移出涡则逐渐向东扩。

(3) 高原地面感热、地面潜热、地面热源分布的季节变化特征相似, 由冬到春到夏经历了明显增强的过程, 由夏到秋到冬经历了减弱的过程, 这与高原涡、未移出涡、移出涡涡源分布的季节变化特征相似。不同的是高原地面感热、地面热源由冬到春爆发性增强, 由秋到冬陡然减弱, 分别出现了未移出涡个数很快增加和移出涡有成片区域、未移出涡明显减少和移出涡无成片区; 地面潜热由春到夏增强特别明显, 这与由春到夏移出涡生成个数增加为各季最多相一致, 反映了地面加热对高原涡生成影响大, 高原地面潜热对移出涡生成影响更大些。

(4) 未移出涡涡源区的高原地面加热特征是:主要涡源区春、夏、秋季, 大部分处在高原东北部地面感热高值区向西南伸> 30 W·m^-2区域内, 和处在高原东部地面潜热的高值区西伸的春季在> 30 W·m^-2区内、夏、秋季在> 50 W·m^-2区内。主要涡源区春、夏季分别处在地面热源高原东北部、西南部的二个高值区相向伸展的为80~90 W·m^-2、110~130 W·m^-2的均值区内, 秋季位于高原东南部高值区北伸的90~110 W·m^-2区内。

(5) 移出涡涡源区的高原地面加热特征是:主要涡源区春、夏、秋季处在地面感热区的位置与未移出涡的相似, 但更接近高值区一些, 和位于高原东部地面潜热高值西伸区内, 夏、秋季的值比未移出涡的高。主要涡源区春季处在地面热源高值伸展区内的情况与未移出涡的相似, 夏、秋季分别处在高原东部、东南部地面热源高值伸展区内, 夏季的值比未移出涡高。反映移出涡生成对高原区域地面热源依赖要比未移出涡强一些。

(6) 夏季移出涡、未移出涡涡源区都处在与高原地面热源的正相关区内, 其中移出涡在高原东部、未移出涡在高原东南部和南部与高原地面热源有显著正相关。这一显著正相关区, 对未移出涡是感热、潜热共同贡献大造成的, 潜热贡献比感热大一些, 对移出涡主要是潜热贡献大造成的。

通过本文的移出涡、未移出涡的地面加热特征分析, 得出了移出涡、未移出涡涡源区的高原地面热源特征与差异, 高原地面潜热在高原涡生成中有重要作用的认识。地面感热、潜热、热源对高原涡生成的具体影响还有待深入研究。